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折紙欠驅(qū)動三指機械手,可有效抓取30多種各異物體

發(fā)布時間 : 2020-07-01

由于折紙的藝術靈活性,科學家們總能從中獲得很多啟發(fā),創(chuàng)建出很多不同組合結(jié)構(gòu)的機器人。折紙機器人已經(jīng)發(fā)展成為了一個獨特的研究方向。


近期刊登于國際頂級機器人期刊《IEEE機器人學報(Transactions on Robotics)》的一篇文章介紹了一款受到“折紙扭轉(zhuǎn)塔(Origami Twisted Tower)”結(jié)構(gòu)啟發(fā)的欠驅(qū)動三指機械手,只需要一個舵機的控制,該機械手就可以實現(xiàn)復雜的三維空間變形抓握,并且有效抓取30多種形態(tài)各異的物體。


這款機械手被證明可以有效地降低傳感器的精度需求,簡化抓取物體時對于抓取算法的要求。該項研究由凱斯西儲大學(Case Western Reserve University),約翰霍普金斯大學(Johns Hopkins University,)以及德克薩斯州農(nóng)工大學(Texas A&M University)的研究者提出并完成。


折紙扭轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)啟發(fā)的欠驅(qū)動機械手

折紙是依靠對紙張的折疊而讓其呈現(xiàn)各種形狀和花樣的藝術。據(jù)考證,其起源可以追溯到中國宋朝,并在日本得到廣泛的發(fā)展。不需要額外的裁剪和粘貼,折紙高手就能夠折疊出非常復雜的三維結(jié)構(gòu)。折紙藝術能夠把2維的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為復雜的3維結(jié)構(gòu),科學家們早已將折紙技術應用于各個領域,其中一個非常典型的例子就是太空飛船上的折紙結(jié)構(gòu)的太陽能電池板。


折紙結(jié)構(gòu)的太陽能板

基于折紙技術,機器人學家們也開創(chuàng)了一個全新的機器人設計研究方向:折紙機器人(origami robot),這類機器人和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的機器人(由連桿等機械結(jié)構(gòu)構(gòu)成)由很大差異,它們具有結(jié)構(gòu)輕巧,加工制造簡單,以及可以進行復雜變形等特點,頗受機器人設計者的鐘愛。


典型的折紙機器人

今天介紹的是基于一種特殊的折紙方法,折紙扭轉(zhuǎn)塔(origami twisted tower)設計的三指欠驅(qū)動機械手。折紙扭轉(zhuǎn)塔,顧名思義,是像塔一樣的多層折紙結(jié)構(gòu),當扭轉(zhuǎn)每一層的時候,整個結(jié)構(gòu)會沿著塔身收縮, 這種由復雜的三維空間變形(扭轉(zhuǎn)收縮)的機理非常適用于欠驅(qū)動設計。


研究者稱他們設計的機械手為扭轉(zhuǎn)之手(Twister Hand)。這款機械手僅有一個電機驅(qū)動拉線驅(qū)動,可以用來抓取不同形狀,重量,尺寸以及紋理的物體。每一只手指由一個柔順連續(xù)的折紙結(jié)構(gòu)啟發(fā)而設計。研究者設計了手指的三維CAD模型,并且用3d打印的方式以一體制造。機械手是拉線欠驅(qū)動(underactuated,欠驅(qū)動指的是結(jié)構(gòu)輸入端的自由度小于輸出端的自由度,即用簡單的輸入實現(xiàn)了更多自由度的輸出)的,每根手指有一根線,三根線匯聚到舵機的輪盤處進行驅(qū)動(拉線,放線),拉動線就可以驅(qū)動手指產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)收縮的復雜形變。研究者通過實驗發(fā)現(xiàn),僅僅用無需傳感器的開環(huán)抓取控制就可以實現(xiàn)30多種形態(tài)各異的物體的抓取。


該項研究由凱斯西儲大學(Case Western Reserve University),約翰霍普金斯大學(Johns Hopkins University,)以及德克薩斯州農(nóng)工大學(TexasA&M University)的研究者提出并完成。我們先來看一些精彩的抓取展示,在下一部分為大家詳細解讀這款折紙啟發(fā)的欠驅(qū)動機械手的設計理念。


抓取電線卷


抓取雞蛋


抓取手帕


抓取變形的魔方


抓取薯條盒

研究者提出的扭轉(zhuǎn)手結(jié)構(gòu)有一下特點:1. 具有連續(xù)變化的特性,彎曲,扭轉(zhuǎn)和收縮的運動可以通過結(jié)構(gòu)的設計同時實現(xiàn)。2. 具有柔順的特性,折紙結(jié)構(gòu)自身具有柔順特性,另外通過特定的材料選擇使用也可以讓結(jié)構(gòu)具有進一步的柔順性。3. 可被重構(gòu)性,可以被用于設計各種不同的機器人結(jié)構(gòu)。4. 尺寸可調(diào)整性,同樣的結(jié)構(gòu)可大可小,功能不變。


折紙扭轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)可以用任意邊數(shù)大于3的多邊形來構(gòu)造,在這里研究者展示了兩種多邊形,分別是六邊形和八邊形。假設我們固定下端的多邊形,那么當扭轉(zhuǎn)上層的多邊形時,中間的支撐結(jié)構(gòu)就會向一側(cè)傾斜,整個上層結(jié)構(gòu)就會向下層靠近。


折紙扭轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)

研究者希望能夠用3d打印的方法一體成型這種折紙扭轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu),因此設計了兩種CAD模型,并且打印出來驗證它們的可行性。左邊的是利用了不同組元的結(jié)構(gòu)設計,它的結(jié)構(gòu)較為復雜,硬體結(jié)構(gòu)和柔性結(jié)構(gòu)式獨立的,只是在連接處相連。右邊的結(jié)構(gòu)是采用了不同的設計方式,將硬體結(jié)構(gòu)完全的嵌入到了柔性結(jié)構(gòu)當中。


兩種不同的CAD模型

測試模型由Stratasys公司的Objet350 Connex3 打印機打印,軟材料采用了TangoPlus,硬材料則采用了VeroWhite。通過實驗測試得知,雖然軟硬結(jié)構(gòu)分開的設計可以實現(xiàn)這折紙扭轉(zhuǎn)塔的變形,但是它非常的不耐用,如果重復扭轉(zhuǎn)幾次的話,在連接處會出現(xiàn)非常明顯的裂紋。而硬體內(nèi)嵌軟結(jié)構(gòu)式的設計則更為耐用,因為這種設計避免了由硬結(jié)構(gòu)到軟結(jié)構(gòu)突然的轉(zhuǎn)變。因此最終研究者采用這種硬結(jié)構(gòu)內(nèi)嵌到軟材料當中的設計。


不同的CAD模型3d打印件測試


最終采用的設計方——硬材料內(nèi)嵌于軟材料之中

研究者最終采用了六邊形和10層扭轉(zhuǎn)塔的結(jié)構(gòu)來設計每一個手指。每根手指都采用了硬材料內(nèi)嵌到軟材料中的設計方法打印。手指的重量僅僅有13g。完全伸展的整個長度大約129.95mm,收縮后長度為32mm,大約有4倍的變形效果。將一根線穿過每一層結(jié)構(gòu),拉動線就可以驅(qū)動手指產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)收縮的復雜形變。研究者提出了兩種走線方式,螺旋型走線和折線形走線。在本設計中,采用了折線形走線的驅(qū)動方式。


折紙扭轉(zhuǎn)塔手指設計

當把三根手指裝配到僅有一個舵機的底座上,便得到了一個TWISTER Hand扭轉(zhuǎn)之手。它結(jié)構(gòu)緊湊,用一個舵機就可以控制機械手的開合,整個手的重量大約僅有280g。


機械手結(jié)構(gòu)設計

這款機械手展示了優(yōu)異的抓取特性,可以抓取日常生活中的很多物體,比如橙子,塑料杯,以及一袋巧克力豆。這都歸功于折紙結(jié)構(gòu)的手指復雜的變形和結(jié)構(gòu)柔順的特性,讓機械手有了絕佳的適應性。


抓取展示,橙子,塑料杯,巧克力小吃

事實上,研究者一共測試了近36種物體,它們有不同的形狀,尺寸,重量還有紋理。抓取成功的標準是每一件物體抓取10s鐘不掉落。除去鉛筆,香蕉沒有成功抓取外,其余物體都被成功抓?。ㄗ⒁馐情_環(huán)控制),向我們證明了這款欠驅(qū)動機械手強大的抓取能力。


用于抓取測試的36種物體,全部成功抓取

研究者還進行了一項非常有趣并且實用的測試,就是機械手在以不同的角度接近被抓去物體時,抓取的成功率。


抓取測試平臺-不同角度的抓取方向

可以看到,在研究者給出的三種抓取方向種,0度,30度和60度來說,100%抓取成功區(qū)域(綠色區(qū)域)的面積分別為86,81以及85平方厘米。67%抓取成功率(紅色區(qū)域內(nèi))的面積為93,88和86平方厘米。


不同抓取角度下有效抓取面積

和傳統(tǒng)機器人相比,柔性的欠驅(qū)動機器人有著很大的應用潛力,例如只用很簡單的控制和傳感就可以實現(xiàn)和環(huán)境或者人類的柔順交互。今天小編介紹的這項研究就是利用折紙結(jié)構(gòu)來設計柔性的欠驅(qū)動機械手。這種機械手可以有效地降低傳感器的精度需求,簡化抓取物體時對于抓取算法的要求。同時這種結(jié)構(gòu)可以通過設計被做成不同的尺寸,不同的結(jié)構(gòu),從而被應用到更多的場景中去。


高級的算法和控制對于機器人的應用固然重要,但算法和傳感器總歸有失效或者是出錯的時候。如果能夠通過機械設計來實現(xiàn)一些巧妙地結(jié)構(gòu),讓機器人具有自體的柔順行,從而降低整個機器人對于傳感器和控制算法的依賴性,這是一個值得大家注意的發(fā)展方向。

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